Nel momento in cui inizia il ghiacciamento della nube ha inizio il processo di separazione delle cariche elettriche (ioni positivi nella parte ghiacciata, ioni negativi nella parte liquida) e quindi lo scoccare delle prime scariche. I tipi di fulmine dipendono dalla ripartizione delle cariche elettriche di segno opposto dentro e attorno al cumulonembo.
I fulmini nube-suolo sono più frequenti nell'area delle correnti ascensionali e partono dalla base della nube, caricata negativamente, al suolo, caricato positivamente. Sono visibili non oltre i 70 km e si attenuano temporaneamente finchè ci sono i rovesci, mentre risultano essere più pericolosi e frequenti subito prima degli stessi poichè il canale di aria ionizzata su cui si indirizzano le scariche portanti nella fase discendente trova maggior fluidità e penetrazione tanto più l'aria è calda relativamente all'ambiente circostante.
Questo fatto può rivelarsi utile per individuare la zona dell'inflow, ovvero la regione in cui l'aria calda affluisce nel temporale: frequenti fulmini verticali nube-suolo individuano anche da notevole distanza (se di notte) l'area dell’inflow principale.
I fulmini nube-nube o lampi si producono all'interno del Cb quando la scarica elettrica passa tra la base della nube (caricata negativamente) e la sua sommità (caricata positivamente). Queste scariche illuminano dall'interno la struttura verticale del temporale per cui possono essere utilizzati per valutare la consistenza del temporale: per esempio, i lampi possono illuminare l'overshooting top e questo già ci deve mettere all'erta.
Considerato che i lampi scoccano a quote più elevate rispetto ai fulmini nube-suolo, essi sono visibili anche a più di 300 km di distanza se l'aria è limpida e la zona è pianeggiante. Se invece c'è foschia sono visibili a 100-120 km: la foschia scherma il cielo e al più si vedono lontani bagliori diffusi.
I fulmini nube-aria si verificano quando una scarica elettrica si propaga tra un accumulo di cariche negative o positive all'interno della nube e una zona di cariche opposte nell'atmosfera circostante. Solitamente sono fulmini molto più sottili, deboli e corti dei precedenti e prevalgono di gran lunga alla sommità della nube: perciò sono anch'essi visibili da grande distanza.
Il colore dei fulmini può fornirci alcune indicazioni in merito al contenuto d'umidità dell'aria: se la saetta è rossastra in quella zona sono in corso piogge; se è azzurra indica grandine; se è gialla vuol dire che c'è polvere in sospensione sollevata dal vento; se il fulmine è bianco indica scarsa umidità e quindi elevato pericolo di incendi.
Il tuono è un’onda d’urto che deriva dal sensibile aumento di pressione causato dall’intenso calore della scarica elettrica; infatti l'aria circostante si riscalda (espansione) e subito si raffredda (contrazione): questo effetto a fisarmonica provoca una violenta onda d'urto che dà origine al tuono. Moltiplicando per 3 il numero di secondi che intercorre tra scarica e tuono, si otterrà la distanza approssimativa in km dal luogo in cui è avvenuta la scarica (3 secondi = 1 km circa).
In linea di massima i tuoni si possono sentire fino a circa 15-20 km, ma questo è un dato mediato che in realtà dipende da due fattori principali: l'umidità relativa e la direzione del vento. Se l'umidità è bassa i tuoni si sentiranno a distanza maggiore e se il vento soffia dalla cella verso l'osservatore allora si potranno sentire anche fino a 20-30 km di distanza (trasporto di onde sonore da parte della corrente aerea); nel caso inverso si possono sentire a non più di 10-15 km.
Siccome il temporale quando è abbastanza vicino (5 km, indicativamente) aspira aria verso di sè nella parte anteriore (inflow) i tuoni si sentiranno solo a distanza relativamente breve. Poichè quasi sempre l'aria soffia all'infuori nella parte posteriore (outflow) allora in quel caso si sentiranno a distanza maggiore: spesso continuano a sentirsi per più tempo dopo che il temporale è passato anzichè prima, almeno finchè restituisce vento in coda.
STATICA RADIO IN AM: un apparecchio radio potrà rilevare la presenza di un temporale fino a 160 km di distanza; regolando il ricevitore in AM e su una frequenza libera da trasmissioni si possono distintamente sentire degli schiocchi o fruscii (di 0,5-2 secondi ciascuno) prodotti dai fulmini che interferiscono sulla statica radio. Però le scariche in AM derivano da più temporali nel caso di instabilità diffusa ed è difficile comprendere qual è il temporale da considerare, se non concentrandosi sulle interferenze più forti prodotte dai fulmini più vicini a noi.
Anche chi rimane soggiogato dal suo fascino non può non averne un po' paura, perché il temporale è una delle più inarrestabili e intense manifestazioni della natura. Un fenomeno apparentemente semplice che mette però in moto buona parte dei principi della fisica. Ecco cosa succede quando "cadono due gocce" o si scatena una tempesta. E non solo sulla Terra
Gli antichi erano così spaventati dai fulmini da trasformarli in segni visibili dell'ira di Zeus. Tanta ingenuità può far sorridere ma... allora come mai, ancora oggi, in un film dell' orrore non può mancare l' atmosfera tonante e cupa del temporale ? Semplice, le nostre ataviche paure continuano a seguirci, archiviate nel Dna alla voce istinto. Dal punto di vista scientifico, il temporale è una vera "chicca": dalla termodinamica ai fenomeni elettrici, per comprendere cosa accade in cielo bisogna scomodare buona parte dei principi della fisica. Nuvole cariche: cumulonembi, stratocumuli, cirri... il parco delle nubi è piuttosto vasto ma non tutte possono promettere tuoni e fulmini, come spiega il professor Daniele Fuà, che insegna fisica dell'atmosfera all'Università di Milano Bicocca. "Le nubi che provocano i temporali si distinguono dalle altre perché hanno un forte sviluppo verticale, che quasi sempre interessa tutta la troposfera (dal suolo a 10 e più chilometri). Vengono chiamate nubi di tipo convettivo in contrasto al tipo stratificato che ha sviluppo orizzontale e che può, per esempio, produrre piogge persistenti ma, generalmente, poco intense". Le nubi convettive temporalesche (o cumulo nembi) si riconoscono per la loro forma a incudine: la parte alta si allarga da un lato (di solito verso Est) e indica, generalmente, la direzione di spostamento dei temporali non estivi. "Non tutti i temporali nascono da uguali condizioni atmosferiche", spiega ancora l'esperto. "Quelli estivi si formano quando c'è una forte insolazione e l' aria è molto umida. Si tratta di fenomeni locali e di breve durata. Possiedono infatti al loro interno un "meccanismo di autodistruzione". Poi ci sono i temporali associati a fronti, dove il termine fronte indica quella zona di confine che separa due masse (dette regioni) d'aria di caratteristiche diverse". Per esempio, si pensi a quando la temperatura s' abbassa rapidamente e diminuisce anche l' umidità. È successo che una regione di aria calda e umida (come una specie di gigantesca bolla di parecchie centinaia di chilometri di larghezza) si è spostata e ha lasciato il posto a una regione di aria fredda. "Lo scontro di queste due masse d' aria è la sorgente della grande energia termodinamica di un temporale", prosegue Fuà, "e al contrario dei temporali estivi, qui il vento è un requisito fondamentale. I temporali associati a fronti sono sempre accompagnati da venti relativamente caldi e umidi vicino a terra e freddi e secchi a quote più alte". Tuoni e fulmini: i fenomeni che accadono all'interno di una nube temporalesca e portano alla formazione di fulmini, sono complessi e ancora un po' oscuri. Tutto inizia con una serie di urti "elettrizzanti": minute goccioline di acqua e microscopici cristalli di ghiaccio (da una decina a qualche centinaio di micron di dimensione) si scontrano, perdendo e acquistando il proprio patrimonio di elettroni. Grazie alle forti correnti ascensionali all' interno delle nubi e alla forza di gravità che tende a far cadere i cristalli di ghiaccio, avviene una separazione: particelle piccole e cariche positivamente tendono ad accumularsi in alto, le più grandi, cariche negativamente, in basso. Lo strato inferiore della nube temporalesca, carico negativamente, induce a terra una carica positiva. In questo modo fra nuvola e suolo si può creare una grande differenza di potenziale. Quando il valore raggiunge i 107-108 volt, lo strato d'aria non riesce più ad agire da isolante, come un tessuto che si strappa per il peso, quindi si 'rompe' e fa passare la scarica elettrica: ecco il fulmine. In un primo momento dalla nuvola parte una corrente di cariche negative (scarica pilota, o guida) verso il basso, che percorre un corridoio serpeggiante. La forma è determinata dal fatto che durante la discesa il flusso di cariche negative è attirato da 'sacche' di cariche positive presenti in modo non uniforme (si posso avere fino a 10.000 deviazioni in un fulmine). Quando il flusso negativo si trova dai 10 ai 100 metri dal suolo, la densità di cariche positiva sul terreno aumenta: le cariche opposte 'scalpitano' per congiungersi e l'aria è come se non riuscisse più a isolare la zona tra nuvole e terra. Inizia così un flusso di cariche positive verso l'alto. In qualche frazione di secondo il processo si completa: la scarica guida si connette e avviene una scarica luminosa detta 'di ritorno' che parte dal terreno. Il punto in cui il flusso positivo e quello negativo si incontrano è di massima luminosità ma l' occhio umano non lo distingue: il fulmine ci appare illuminato in modo continuo. La discesa delle cariche negative impiega circa 20 millisecondi mentre la scarica di ritorno solo 100 microsecondi. Dato che il fulmine sviluppa anche una notevole energia termica, circa 5 miliardi di calorie, l'aria circostante si surriscalda raggiungendo anche i 30.000 gradi (la superficie solare raggiunge solo i 6000 gradi). Tutto questo calore comporta una immediata espansione dell'aria e una altrettanto rapida contrazione: si genera così un'onda d'urto che rompe la barriera del suono. Perdendo energia si trasforma in un'onda sonora, provocando il rumore del tuono. Contando quanti secondi separano l'apparizione del lampo dal tuono, si può ricavare approssimativamente la distanza del fulmine: basta dividere il numero di secondi per 3, dato che il rumore del tuono impiega circa 3 secondi per percorrere un chilometro. Alle volte ci sono temporali in cui la pioggia sembra più una 'cascata d' acqua' piuttosto che una successione di gocce. Eppure queste hanno un diametro che va da un minimo di 0,5 a un massimo di 8 millimetri, valore record osservato soltanto durante un devastante temporale hawaiano. Una goccia attira l'altra: tutto inizia da una 'bolla' d' aria calda e umida, che tende ad andare verso l' alto. La salita però provoca un raffreddamento della bolla e la conseguente condensazione dell' umidità. All' interno della nube raffreddata le molecole iniziano ad aggregarsi per formare minutissime gocce che ne attraggono altre. Poi, diventata troppo pesante, la goccia comincia la discesa attraverso la nuvola. Ci vuole circa un' ora per la formazione di una goccia 'matura' e 30 minuti perché questa raggiunga il suolo. Il processo libera per ogni grammo d' acqua una quantità di energia pari a 600 calorie, e quando l' acqua congela nelle zone più alte della nube, vi sono altre 80 calorie per grammo disponibili. Quest'energia permette di innalzare la temperatura delle correnti ascensionali e in parte viene convertita in energia cinetica per le molecole d'aria in discesa. In media l'energia rilasciata da un temporale è di 10 milioni di kilowattora, ma i più violenti possono essere fino a 100 volte più potenti. Ma quali sono i fattori che influenzano la formazione delle gocce? All'inizio di quest'anno due ricercatori del Brookhaven National Laboratory, Robert McGraw e Yangang Liu, hanno provato a rispondere a questa domanda, pubblicando una nuova teoria. La loro idea è stata quella di paragonare il fenomeno della condensazione a quello della nucleazione, lo stesso che permette, per esempio, la formazione di cristalli nel miele. Il modello ha permesso innanzitutto agli scienziati di confermare la vecchia teoria: quando la goccia ha raggiunto una certa dimensione, può crescere velocemente soltanto attaccandosi ad altre gocce. Ma soprattutto permetterà di comprendere meglio il ruolo degli aerosol, le particelle solide disperse nell'atmosfera. Secondo i calcoli di McGraw e Liu tali particelle rendono più difficile la formazione di gocce, rendendo le nubi più stabili e meno 'piovose'. Con la conseguenza di mantenere l'inquinamento alto nell'atmosfera. Duri chicchi di acqua 'sopraffusa': nelle nubi temporalesche, le forti correnti ascensionali spingono le gocce di acqua fino a quote in cui la temperatura è inferiore allo zero. Le goccioline passano prima allo stato sopraffuso (rimangono liquide nonostante la temperatura), poi si trasformano in cristalli di ghiaccio, che possono aggregarsi ad altre gocce di acqua sopraffusa, formando così un chicco di grandine. La sua struttura ricorda gli anelli dei tronchi: le varie aggregazioni di acqua sopraffusa infatti spesso non si fondono l' una con l' altra. In alcuni chicchi sono state contate fino a 25 stratificazioni. Se il congelamento avviene in una zona della nube particolarmente fredda, le gocce d' acqua sono meno numerose e nel chicco rimangono inglobate piccole bolle d' aria. Quando la corrente ascensionale non riesce più a mantenerlo sospeso, il chicco precipita al suolo. Correre ai ripari è la cosa più saggia! Anatomia di una nube tempestosa: quando tuoni e fulmini avvengono 'a secco', significa che qualcosa impedisce all'acqua di scendere, come spiega il fisico Daniele Fuà. 'All'interno delle nubi convettive c'è quasi sempre formazione e caduta di gocce d' acqua o cristalli di ghiaccio ma se non si formano particelle abbastanza grandi, questa precipitazione può non arrivare a terra. In certi casi infatti le correnti verso l' alto all' interno della nube impediscono alle particelle di scendere. Altre volte, invece, se la temperatura a bassa quota è particolarmente alta, la precipitazione può evaporare prima di giungere a terra'. Per scoprire cosa avviene davvero in una nube temporalesca gli scienziati del Goddard Space Flight Center della Nasa ne hanno 'scansita' una con uno speciale radar. Che tempo fa nel cosmo: per mettere in moto i fenomeni atmosferici serve l' energia del Sole. Ma allora perché ci sono nuvole anche su pianeti tanto lontani ? I temporali che avvengono su pianeti molto lontani come Urano e Nettuno, rimangono un mistero. Perché non dovrebbero esserci ! L' energia necessaria per mettere in moto i fenomeni atmosferici, infatti, proviene dal calore del Sole. Ma Nettuno, per esempio, è 30 volte più lontano dal Sole (4498,7 milioni di km) rispetto al nostro Pianeta eppure ha venti che spirano a velocità supersoniche e formazioni nuvolose che dal 1989, grazie alle foto della sonda Voyager, sono state classificate come cirri. Gli scienziati sostengono che probabilmente anche la più piccola quantità di calore può fare la differenza su pianeti freddi come Nettuno, la cui superficie è di circa -130 gradi centigradi. Anche Urano ha un mistero, messo in luce dall'astronoma Heidi Hammel, dello Space Science Institute di Boulder (Colorado). La scienziata ha osservato sulla superficie di Urano una ventina di nubi, deducendo che probabilmente la loro formazione è dovuta alla rapida velocità di rotazione del pianeta: in meno di 18 ore completa il giro su se stesso. Questo movimento potrebbe provocare una certa turbolenza al di sopra della superficie, dato che il pianeta è principalmente costituito da una palla di gas (soprattutto idrogeno ed elio) che circonda un nucleo di ghiaccio e roccia
Il rumore assordante prodotto dal fulmine è dovuto al rapidissimo riscaldamento, fino ad alcune decine di migliaia di °C, ed alla successiva rapida espansione dell’aria ionizzata del canale di scarica. Il calore è prodotto per effetto Joule dal passaggio della corrente di scarica, da parecchie decine di ampere fino ad alcune decine di migliaia di ampere, a seconda dell’entità della scarica e delle sue modalità di propagazione dalla nube verso il suolo o in senso contrario.
I fulmini che si propagano dalla Terra verso le nubi temporalesche sono innescati da corpi conduttori appuntiti, quali le radici e le cime degli alberi, pali metallici, ombrelloni, canne da pesca, antenne, il che spiega, in particolare, la tendenza dei fulmini a colpire gli alberi.
L’innesco del fulmine dalla Terra verso una nube è dovuto al cosiddetto “potere delle punte”, cioè alla notevole concentrazione del campo elettrostatico in prossimità di sporgenze metalliche puntiformi, in corrispondenza delle quali la densità delle cariche elettriche è notevole a causa del piccolissimo raggio di curvatura. Poichè l’intensità del campo elettrostatico alla superficie di un conduttore, per il teorema di Coulomb, è direttamente proporzionale alla densità di carica superficiale, gli effetti di ionizzazione per urto e di effluvio sono così intensi che si forma inizialmente attorno alla sporgenza un canale d' aria ionizzata che favorisce un’ulteriore ionizzazione a valanga e la conseguente scarica elettrica che si propaga verso la nube.
Per questo motivo, trovandosi in riva al mare, è opportuno distendersi sulla spiaggia, se non si fa in tempo a trovare un luogo chiuso sufficientemente sicuro (auto, casa in muratura , capannone con pareti e tetto in metallo), per evitare di intensificare il campo elettrico stando in piedi.
Per quanto concerne gli effetti del fulmine sul corpo umano, bisogna considerare che essi dipendono prevalentemente dalle modalità della scarica, quindi dalla posizione del corpo nel momento in cui viene colpito dalla scarica, in quanto da tale posizione dipende il percorso della scarica. Qualora non si verifichino fenomeni irreversibili di fibrillazione ventricolare o danni immediati e generalizzati al sistema nervoso centrale, l’effetto della scarica è essenzialmente termico ed è tale da determinare ustioni gravi nei punti d’ingresso e d’uscita della corrente, soprattutto in presenza di oggetti metallici (orologi, catenine, medaglie, collane) che fondono al passaggio del fulmine.
DOMANDE (da Monza): Nel momento in cui cessa l'azione del campo elettrico (o elettromotore - qual è il termine giusto?) gli elettroni di conduzione per quanto tempo continuano a fluire nel cavo, a causa della loro inerzia, prima che si fermino del tutto? Mi viene questa domanda perchè penso che gli elettroni hanno massa.
Quando ad un conduttore di lunghezza L viene applicata una differenza di potenziale V, il campo elettrico uniforme (non elettromotore, in quanto non si tratta di un generatore elettrico) di intensità E = V/L che si determina al suo interno, imprime agli elettroni liberi (di conduzione) un’accelerazione costante a = F/m = -e E/m, diretta dall’estremo del conduttore a potenziale minore verso l’estremo a potenziale maggiore, essendo e = 1,6 x 10-19 coulomb ed m = 9,11 x 10-31 Kg , rispettivamente, la carica e la massa dell’elettrone.
Pertanto la velocità (di deriva) v = at degli elettroni di conduzione ( parallela al campo elettrico e con verso opposto) , trattandosi di un moto uniformemente accelerato, cresce in modo direttamente proporzionale al tempo fino a quando essi non urtano elasticamente contro gli ioni del reticolo cristallino del metallo. La velocità finale di deriva acquisita (in media) dagli elettroni è vf = -eEt/m , essendo t l’intervallo di tempo (medio) tra due urti consecutivi.
Si tratta ovviamente di urti determinati da forze elettrostatiche attrattive tra gli ioni carichi positivamente e gli elettroni carichi negativamente, che vengono deviati dalla loro direzione iniziale di moto descrivendo, in seguito ad urti consecutivi, traiettorie a zig-zag, senza fermarsi mai, ma mantenendo, indipendentemente dalla velocità di deriva acquisita per effetto del campo elettrico, la velocità VF (velocità di Fermi) che possiedono in assenza del campo, e che è determinata dal loro comportamento quantistico, connesso al principio d’indeterminazione di Heisenberg; infatti Fermi per primo negli anni ’20 applicò i principi della meccanica quantistica agli elettroni di conduzione di un metallo ideale (Teoria del gas di elettroni o gas di Fermi).
Poichè gli ioni del reticolo cristallino di un metallo, per effetto dei moti di agitazione termica si comportano come oscillatori armonici la cui ampiezza d’oscillazione cresce all’aumentare della temperatura, la probabilità d’urto elettrone-ione cresce con la temperatura ed è all’origine dell’aumento della resistività r (resistenza specifica) del metallo al crescere della temperatura .
In particolare si ha quanto segue (espressione microscopica della legge di Ohm):
J = Nevf = (N e2t/m) E, essendo N il numero degli elettroni di conduzione per unità di volume, caratteristico del metallo.
Questa formula esprime che la densità di corrente J = intensità di corrente/ sezione (in ampere/mq) è direttamente proporzionale al campo elettrico E che si stabilisce all’interno del metallo per effetto della tensione V applicata.
L’espressione in parentesi è la costante di proporzionalità s tra J ed E e rappresenta la conducibilità o conduttanza specifica del metallo, espressa in siemens/ metro (s è l'inverso della resistività o resistenza specifica r, che si misura in ohm x metro).
In particolare, se si considera un cavo di rame si ha quanto segue:
r=1/s = 1,72 x 10-8 ohm x m,
VF = 1,56 x 106m/s,
N = 8,5 x 1028 elettroni/mc,
t = m/(r Ne 2) = 2,43 x 10-14s,
l (cammino libero medio tra due urti consecutivi, a 27 °C) = VF t = 1,56 x 106m/s x 2,43 x 10-14s = 3,79 x 10-8 m = 0.0378 m (micron).